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Die
Erfindung betrifft ein Kupplungssystem, insbesondere ein Werkzeugwechselsystem
für Roboter,
eine Kupplungsanordnung, ein Verfahren zum mechanischen Kuppeln
eines Kupplungssystems, und ein Verfahren zur Messung der mechanischen Belastung
eines Kupplungssystems beim Kuppeln und/oder im gekuppelten Zustand.
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Kupplungssysteme,
welche ein erstes Kupplungsteil und zumindest ein zweites Kupplungsteil, welches
mit dem ersten Kupplungsteil über
zumindest eine Kupplung kuppelbar ist, aufweisen, sind grundsätzlich bekannt.
Beispielsweise kann solche eine Kupplung eine mechanische Kupplung,
eine elektrische Kupplung, oder eine Kupplung zum Kuppeln von Medien
wie Wasser, Druckluft usw. sein. Des Weiteren sind Kupplungssysteme
bekannt, welche mehrere Kupplungen aufweisen, beispielsweise mehrere
elektrische Kupplungen und eine Druckluftkupplung. In diesem Falle
spricht man von einem Multikupplungssystem.
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Des
Weiteren ist es bekannt, derartige Kupplungssysteme für die Verbindung
von Werkzeugen mit einem Roboter zu verwenden. Insbesondere sind Kupplungssysteme
bekannt, welche als Werkzeugwechselsysteme bezeichnet werden, die
es ermöglichen,
das sich am Roboterarm befindende Werkzeug schnell und einfach zu
wechseln. Üblicherweise
weisen derartige Werkzeugwechselsysteme eine Verriegelungseinheit
und einen mit der Verriegelungseinheit kuppelbaren Adapter auf.
Die Verriegelungseinheit wird fest mit einem Arm des Roboters verbunden,
während
ein oder mehrere Adapter mit geeigneten Werkzeugen verbunden werden.
Damit ist eine einheitliche Kupplung zwischen Roboter und Werkzeugen
geschaffen. Eine derartiges Kupplungssystem umfasst zumindest eine
mechanische Kupplung, es können
aber noch weitere Kupplungen vorgesehen sein, die es ermöglichen,
beispielsweise Strom, Kühlwasser
usw. von der Roboterseite zur Werkzeugseite zu übertragen.
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Nachteil
derartiger Kupplungssysteme ist, dass der Kupplungsbereich eine
Schwachstelle im Gesamtsystem darstellt. Beispiele hierfür sind,
dass die Kupplungsteile nicht richtig miteinander verbunden sind
(was beispielsweise durch ein fehlerhaftes Einkuppeln) möglich wäre), die
Kupplung verschmutzt ist, oder die Kupplungen selbst beschädigt sind,
was aufgrund dessen, dass die Kupplungsbereiche in der Regel relativ
exponiert sind, ebenfalls möglich
ist. Auch eine unsachgemäße Bedienung kann
sich auf die Funktionstüchtigkeit
der Kupplung auswirken.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Kupplungssystem zu
schaffen, welches es ermöglicht,
den Zustand einer oder mehrerer Kupplungen im Kupp lungsbereich zu überprüfen. Eine weitere
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kupplungsanordnung zu schaffen,
die ein fehlerfreies Kuppeln der Kupplungsteile eines Kupplungssystems
ermöglicht.
Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum mechanischen
Kuppeln eines Kupplungssystems und ein Verfahren zur Messung der
mechanischen Belastung eines Kupplungssystems zu schaffen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Kupplungssystem, eine Kupplungsanordnung,
ein Verfahren zum mechanischen Kuppeln und ein Verfahren zur Messung
der mechanischen Belastung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Die
Erfindung schafft ein Kupplungssystem, enthaltend ein erstes Kupplungsteil,
zumindest ein zweites Kupplungsteil, welches mit dem ersten Kupplungsteil über zumindest
eine Kupplung kuppelbar ist, und zumindest einen Sensor, wobei das
erste Kupplungsteil eine Auswerteeinheit aufweist, die mit dem mindestens
einen Sensor zum Erfassen von Messsignalen verbindbar ist, und die
von der Auswerteeinheit erfassten Messsignale über die Auswerteeinheit abrufbar
sind, wobei mittels des mindestens einen Sensors die Kupplung im
Kupplungsbereich überprüfbar ist.
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Erfindungsgemäß ist es
somit möglich,
den Zustand der Kupplung während
des Einkuppelns und/oder im eingekuppelten Zustand auf ihre Funktionstüchtigkeit
hin zu überprüfen. Aufgrund
der Messwerte, die über
die Auswerteeinheit abrufbar sind, ist es möglich eine entsprechende Reaktion
auszulösen,
beispielsweise ein Austausch der Werkzeuge, eine Wartung, oder eine
Korrektur der Bewegung. Insbesondere für Systeme, bei denen häufig gekuppelt
wird, beispielsweise bei Werk zeugwechselsystemen, und damit die
Gefahr relativ hoch ist, dass die Kupplung nicht betriebsgemäß zustande
gekommen ist bzw. die Kupplung im Laufe des Betriebs beschädigt wurde,
ist die Verwendung eines derartigen Systems zur Überprüfung vorteilhaft.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf bestimmte Arten der Kupplung. Als Kupplungsarten sind
beispielsweise möglich
mechanische Kupplungen, elektrische Kupplungen, Kupplungen von Medienleitungen,
beispielsweise für
Wasser, Druckluft, Öl
usw.
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Beispielsweise
lässt sich
für die Überprüfung einer
Medienkupplung für
ein gasförmiges
Medium, beispielsweise Druckluft, ein Geräuschsensor einsetzen.
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Der
Sensor kann insbesondere am ersten oder am zweiten Kupplungsteil
angebracht sein. Erfindungsgemäß bevorzugt
ist, dass sich der mindestens eine Sensor am ersten Kupplungsteil,
an dem sich auch die Auswerteeinheit befindet, angebracht ist. Auf
diese Weise wird zum einen ein kompaktes System geschaffen, da die
Verbindungen zur Ansteuerung und zum Auslesen des Sensors mit der
Auswerteeinheit einfach herzustellen sind. Des Weiteren ist es hierdurch
nicht mehr notwendig, im Falle von mehreren zweiten Kupplungsteilen,
die mit dem ersten Kupplungsteil verbindbar sind, jedes der zweiten Kupplungsteile
mit Sensoren auszustatten. Zusätzlich
ermöglicht
die Anbringung des Sensors am ersten Kupplungsteil, Messsignale
unabhängig
von dem Zustand und der Position des zweiten Kupplungsteils zu messen,
insbesondere auch während
des Kuppelvorgangs.
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Vorzugsweise
ist das erste Kupplungsteil mit der Versorgerseite einer Vorrichtung,
beispielsweise mit ei nem Roboterarm, verbindbar. Dies ermöglicht es,
Sensor und Auswerteeinheit unabhängig
von einer Kupplung zu betreiben. Des Weiteren müssen für den Betrieb der Auswerteeinheit
und/oder des Sensors vorteilhafte oder sogar notwendige Verbindungen,
beispielsweise ein Stromversorgung oder ein Datenkabel, nicht selbst
mit zusätzlichen
Kupplungen verbunden werden.
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Die
Auswerteeinheit kann beispielsweise eine Elektronik mit einer Schnittstelle
sein, um die aufgenommenen Messdaten nach außen weitergeben zu können. Die
Weitergabe der Daten kann beispielsweise an ein Display erfolgen,
oder aber in ein Netzwerk. Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass sich die
Daten über
Fernübertragung
abrufen lassen. Dies ermöglicht
das Abfragen der Daten, ohne dass ein Datenkabel direkt mit der
Auswerteeinheit verbunden werden muss, was unter Umständen sehr aufwendig
oder sogar unmöglich
sein kann. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit eine Steuereinheit beinhalten,
die in Abhängigkeit
der erfassten Messsignale eine Reaktion bewirken kann, beispielsweise eine
Kupplung unterbrechen kann. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit
mit einer programmierbaren Rechnereinheit ausgestattet, was ermöglicht,
die erfassten Messsignale über
Programme zu bearbeiten, und über
Programme geeignete Reaktionen zu veranlassen.
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Als
Sensoren eignen sich Sensoren, die berührungslos oder in Kontakt messen.
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Als
Messgrößen eignen
sich beispielsweise Belastungsgrößen wie
mechanische Spannung, mechanische Verformung, Positionen, insbesondere Bewegungen
und Relativbewegung, Drücke,
Temperaturen, elektrische Widerstände, usw.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit
einen dauerhaften Speicher aufweist, mittels dem die Signale des Sensors über eine
Zeitperiode dauerhaft speicherbar sind.
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Diese
Weiterbildung ermöglicht
es, die Historie des Kupplungssystems zu betrachten. Dies ist insbesondere
für eine
Wartung des Kupplungssystems, aber auch für eine Wartung der Elemente,
die mit dem Kupplungssystem verbunden sind und die ebenfalls Auswirkungen
auf die von den Sensoren erfassten Messsignale haben, vorteilhaft. Über die
Analyse der im Speicher abgelegten Werte ist es nicht nur möglich, zu
entscheiden, ob eine Wartung des Systems notwendig ist. Ebenfalls
ist es grundsätzlich möglich, anhand
der Werte zu beurteilen, ob das Kupplungssystem und/oder die mit
dem Kupplungssystem verbundenen Teile richtig gehandhabt wurden.
Insbesondere können
auf die Weise unsachgemäße Belastungen
oder falscher Betrieb nachträglich erkannt
werden. Auf der anderen Seite lässt
sich anhand der Historie der Messsignale erkennen, wann eine Wartung
sinnvoll ist, d.h., es kann genau abgeschätzt werden, wie lange die Vorrichtung
weiter betrieben werden kann.
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Vorzugsweise
ist in der Auswerteeinheit ein Stromversorgungssystem integriert,
das zumindest einen kurzen Stromausfall überbrücken kann. Ein derartiges System
könnte
beispielsweise durch einen Kondensator gebildet sein.
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Vorzugsweise
sind die Auswerteeinheit und der Speicher versiegelt, um diese vor
Missbrauch zu schützen.
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Vorzugsweise
weist die Auswerteeinheit ein Identifikationssystem auf, das es
ermöglicht,
die mit dem zweiten Kupplungsteil verbundenen Elemente, beispielsweise
Werkzeuge, zu identifizieren. Die Identifikation könnte beispielsweise
als Wert im dauerhaften Speicher abgelegt werden. Dies ermöglicht es
nachzuvollziehen, unter welchen Bedingungen das Kupplungssystem
eingesetzt wurde.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Kupplungssystem
ein Multikupplungssystem, vorzugsweise ein Werkzeugwechselsystem ist,
wobei das erste Kupplungsteil eine Verriegelungseinheit für die Befestigung
an einem Roboter und das zweite Kupplungsteil ein Adapter für die Befestigung
an einem Werkzeug ist.
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Der
Adapter kann ein eigenständiges
Bauteil sein, oder aber auch im Werkzeug integriert sein.
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Die
Verriegelungseinheit kann weitere Module enthalten, beispielsweise
Module, über
die Daten, Strom, Wasser usw. an ein Werkzeug übertragbar sind. Diesbezüglich weist
der Adapter vorteilhafterweise korrespondierende Module auf, über die
die Übertragung
der genannten Medien über
Koppelung der miteinander korrespondierenden Module von Verriegelungseinheit
und Adapter möglich
ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der mindestens eine Sensor ein Kraftsensor ist, mittels dem die
mechanischen Kräfte,
die über
den Adapter auf die Verriegelungseinheit ausgeübt werden, zumindest teilweise
messbar sind.
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Ein
derartiger Sensor ermöglicht
es, die mechanische Belastung des Kupplungssystems festzustellen.
Indirekt läßt sich
damit auch die mechanische Belastung auf das Werkzeug, das mit dem
Adapter verbunden ist, beobachten.
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Als
Kraftsensoren eignen sich beispielsweise Dehnmessstreifen oder Piezoelemente.
Des Weiteren ist auch ein berührungsloses
Messen, beispielsweise über
optische Sensoren, grundsätzlich möglich.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Verriegelungseinheit
zumindest eine zapfenförmige
Erhebung aufweist, und der Adapter zumindest eine zu der zapfenförmigen Erhebung
korrespondierende Aussparung aufweist, wobei zapfenförmige Erhebung
und Aussparung derart ausgebildet und angeordnet sind, dass beim
Kuppeln des Adapters und der Verriegelungseinheit die zapfenförmige Erhebung
der Verriegelungseinheit in die Aussparung des Adapters zur Führung des
Adapters eingreift, und im gekuppelten Zustand der Adapter über den
Zapfen der Verriegelungseinheit mechanisch mit der Verriegelungseinheit
verbunden ist, und der Kraftsensor derart angeordnet ist, dass mittels
des Kraftsensors eine mechanische Belastung des Zapfens messbar
ist.
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Der
Kraftsensor ist erfindungsgemäß derart angeordnet,
dass die mechanische Belastung des Zapfens mindestens in eine Richtung,
vorzugsweise in zwei Richtungen, besonders bevorzugt in allen drei Raumrichtungen
messbar ist. Falls notwendig, sind hierzu mehrere Sensoren vorgesehen,
insbesondere ein Sensor pro Raumrichtung.
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Vorzugsweise
sind mindestens zwei zapfenförmige
Erhebungen mit korrespondierenden Aussparungen, besonders bevorzugt
mindestens drei zapfenförmige
Erhebungen mit korrespondierenden Aussparungen vorgesehen. Hierdurch
wird zum einen die mechanische Stabilität des Kupplungssystems erhöht, zum
anderen ist die mechanische Belastung des Kupplungssystems, insbesondere
auf Biegung und Torsion, durch die verschiedenen Positionen der
Sensoren gut nachvollziehbar. Vorzugsweise sind die zapfenförmigen Erhebungen
zueinander parallel ausgerichtet. Des Weiteren sind vorzugsweise
die zapfenförmigen
Erhebungen gleichmäßig über eine
Kupplungsfläche
des ersten Kupplungsteils verteilt, um eine im gekuppelten Zustand
von erstem und zweitem Kupplungsteil wirkende mechanische Belastung
möglichst
gleichmäßig aufnehmen
zu können.
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Vorzugsweise
ist die mindestens eine zapfenförmige
Erhebung an ihrer Spitze angeschrägt, besonders bevorzugt konisch
ausgebildet. Hierdurch wird der Kupplungsvorgang mit dem Adapter
erleichtert.
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Vorzugsweise
weist die vom Adapter zur zapfenförmigen Erhebung korrespondierende
Aussparung einen zur Spitze korrespondierend geformten Boden auf.
Ist die Spitze des Zapfens angeformt oder konisch, so kann mit einer
derartigen Aussparung eine Klemmwirkung erreicht werden, die die Kupplung
von Verriegelungseinheit und Adapter zusätzlich mechanisch stabilisiert.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der mindestens eine Kraftsensor in oder an der mindestens einen
zapfenförmigen
Erhebung angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist der Sensor direkt im oder am Zapfen, um eine gute mechanische
Verbindung mit mechanisch belasteten Bereich herzustellen, um eine
möglichst
unmittelbare Messung mit hoher Auflösung zu ermöglichen.
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Insbesondere
können
mehrere Kraftsensoren pro Zapfen vorgesehen sein, insbesondere um Belastungen
in verschiedene Richtungen messen zu können.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Verriegelungseinheit
zumindest einen Positionssensor aufweist, der die Position von Verriegelungseinheit
und Adapter in zumindest einer Position vor der Kupplungsposition überprüft.
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Ein
derartiger Sensor eignet sich insbesondere dafür, zu überprüfen, ob der Kupplungsvorgang bis
zu dieser Position hin betriebsgemäß erfolgt ist.
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Als
Sensoren eignen beispielsweise optische Sensoren oder magnetische
Sensoren. Vorzugsweise sind mehrere Sensoren vorgesehen, um eine
möglichst
genaue Positionsbestimmung zu ermöglichen. Gegebenenfalls sind
die Sensoren vorzugsweise auf den zapfenförmigen Erhebungen angeordnet.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verriegelungseinheit
einen Kupplungssensor aufweist, mittels dem feststellbar ist, ob Verriegelungseinheit
und Adapter gekuppelt sind.
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Als
Kupplungssensor eignet sich beispielsweise ein Magnetsensor.
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Des
Weiteren schafft die Erfindung eine Kupplungsanordnung, enthaltend
ein Werkzeugwechselsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8 und eine Kupplungsvorrichtung,
mittels der der mindestens eine Adapter und Verriegelungseinheit
des Werkzeugwechselsystems miteinander zumindest teilweise automatisch
kuppelbar sind, wobei die Kupplungsanordnung eine Steuereinheit
aufweist, über
die die Kupplungsvorrichtung steuerbar ist und die die Signale des
mindestens einen Kraftsensors erfassen und bearbeiten kann, zum
zumindest teilweisen automatischen Nachregeln der Position von Verriegelungseinheit
und Adapter während
des Einkuppelns.
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Mittels
des Kraftsensors lassen sich insbesondere die Messsignale, die der
Kraftsensor während
des Einkuppelns aufnimmt, mit Sollwerten vergleichen. Liegt eine
genügende Übereinstimmung zwischen
Ist- und Sollwerten vor, so deutet dies darauf hin, dass der Kupplungsvorgang
ordnungsgemäß vonstatten
geht. Bei einer zu großen
Diskrepanz zwischen den Ist- und Sollwerten ist die Kupplungsvorrichtung
in der Lage, die Positionen von Verriegelungseinheit und Adapter
derart zu korrigieren, dass die Istwerte in ausreichender Nähe der Sollwerte
liegen. Es ist damit ein Rückkopplungssystem
realisiert.
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Die
Kupplungsanordnung umfasst beispielsweise einen Roboter, mit dem
die Verrieglungseinheit verbunden ist und ein Werkzeug, welches
mit einem zur Verriegelungseinheit korrespondierenden Adapter verbunden
ist, das beispielsweise sich in einer Werkzeugablage befindet. Der
Roboter wäre
in diesem Falle eine Kupplungsvorrichtung. Die Steuereinheit der
Kopplungsanordnung wäre
in diesem Falle eine Steuereinheit des Roboters.
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Im
Betrieb ruft die Steuereinheit beispielsweise die Messsignale des
Sensors über
die Auswerteeinheit ab. Alternativ ist es ebenso möglich, dass die
Auswerteeinheit aktiv Steuersignale an die Steuereinheit übersendet.
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Die
Rückkopplung
und damit ein Nachregeln der Position von Verriegelungseinheit und
Adapter ist erst dann möglich,
wenn der Kraftsensor Signale aufnimmt. Dies ist zumindest dann der
Fall, wenn Verriegelungseinheit und Adapter mechanisch in Kontakt treten.
Die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung ermöglicht eine
fehlerfreie, automatische Durchführung
des letzten Schrittes des Einkuppelvorgangs, d.h., vom Eingriff
von Adapter und Verriegelungseinheit bis zur endgültigen Kupplung.
Eine Automatisierung gerade dieses Schrittes des Einkuppelvorgangs ist
besonders vorteilhaft, da bei diesem Schritt durch falsches Einkuppeln
möglicherweise
nicht nur eine ungenügende
Kupplung erzeugt wird, sondern möglicherweise
sogar die zu kuppelnden Teile einschließlich des Werkzeugwechselsystems
mechanisch beschädigt
werden könnten.
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Vorzugsweise
sind mehrere Kraftsensoren an der Verriegelungseinheit im Kupplungsbereich vorhanden,
um die mechanische Belastung, die beim Einkuppeln über den
Adapter auf die Verriegelungseinheit wirkt, für ein Nachregeln ausreichend
messen zu können.
Des Weiteren weist vorteilhafterweise die Verriegelungseinheit eine
oben beschriebene zapfenförmige
Erhebung und der Adapter eine dazu korrespondierende Aussparung
auf. Über
die Messung der mechanischen Belastung der zumindest einen zapfenförmigen Erhebung
kann schon im frühen
Stadium des Einkuppelvorgangs über
die Messung der mechanischen Belastung der zapfenför migen Erhebung
erkannt werden, ob der Kupplungsvorgang betriebsgemäß vonstatten
geht, und, falls notwendig, nachgeregelt werden.
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Des
Weiteren schafft die Erfindung ein Verfahren zum mechanischen Kuppeln
eines Kupplungssystems, enthaltend ein erstes Kupplungsteil und
mindestens ein zweites Kupplungsteil, das mit dem ersten Kupplungsteil
mechanisch kuppelbar ist, gemäß dem mittels
zumindest einen sich am ersten Kupplungsteil befindenden, zum ersten
Kupplungsteil gehörenden
Kraftsensors die mechanische Belastung, die auf das erste Kupplungsteil
beim Kuppeln von erstem und zweitem Kupplungsteil wirkt, gemessen
wird, und aufgrund der gemessenen Belastung die Position von erstem
Kupplungsteil und zweitem Kupplungsteil für den Kupplungsvorgang geeignet
nachgeregelt wird.
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Vorzugsweise
sind, wie oben im Rahmen der Kupplungsanordnung beschrieben, ortsabhängige, d.h.,
von der relativen Position von erstem und zweitem Kupplungsteil
abhängige,
Bereiche von Sollwerten definiert, welche angeben, ob die an einem
bestimmten Ort gemessene mechanische Belastung, also der Istwert,
in einem geeigneten Bereich liegt. Liegt der Istwert außerhalb
des Bereichs der Sollwerte, so wird die Position von erstem und
zweitem Kupplungsteil nachgeregelt.
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Das
beschriebene Verfahren ist insbesondere mit einer Kupplungsanordnung
wie oben beschrieben durchführbar.
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Des
Weiteren schafft die Erfindung ein Verfahren zur Messung der mechanischen
Belastung eines Kupplungssystems, enthaltend ein erstes Kupplungsteil
und mindestens ein zweites Kupplungsteil, das mit dem ersten Kupplungsteil
mechanisch kuppelbar ist, gemäß dem mittels
zumindest einen sich am ersten Kupplungsteil befindenden, zum ersten Kupplungsteil
gehörenden
Kraftsensor die mechanische Belastung zwischen dem ersten Teil und
dem zweiten Kupplungsteil im gekuppelten Zustand und/oder beim Einkuppeln
zumindest über
eine Zeitperiode gemessen wird, und die vom Kraftsensor gemessenen
Signale von einer sich am ersten Kupplungsteil befindenden, zum
ersten Teil gehörenden Auswerteeinheit
aufgenommen und als abrufbare Daten in einem Speicher der Auswerteeinheit
abgelegt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere durchführbar
mit oben beschriebenem Kupplungssystem, Werkzeugwechselsystem und Kupplungsanordnung.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, welche durch
mehrere Figuren dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein
Werkzeugwechselsystem zusammen mit einem Roboterarm und einem Werkzeug,
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2A eine
schematische Ansicht einer zum Werkzeugwechselsystem gehörenden Verrieglungseinheit,
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2B eine
schematische Darstellung eines zum Werkzeugwechselsystem gehörenden Adapters,
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3 eine
schematische Darstellung des mit dem Roboter und dem Werkzeug verbundenen Werkzeugswechselsystems,
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4A eine
erste Detailansicht der Verriegelungs einheit,
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4B eine
zweite Detailansicht der Verriegelungseinheit,
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5A eine
erste Detailansicht des Adapters, und
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5B eine
zweite Detailansicht des Adapters.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kupplungssystems 1,
enthaltend ein erstes Kupplungsteil 2 und ein zweites Kupplungsteil 3,
welches mit dem ersten Kupplungsteil 2 über zumindest eine Kupplung
kuppelbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Kupplungssystem 1 ein Werkzeugwechselsystem. Das
Kupplungsteil 1 ist eine Verriegelungseinheit, das Kupplungsteil 2 ein mit
der Verriegelungseinheit kuppelbarer Adapter 3. Die Verriegelungseinheit 2 ist über einen
Flansch mit einem Roboter 6 fest verbindbar. Der Adapter 3 ist über einen
Flansch mit einem Werkzeug 7 fest verbindbar.
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2A zeigt
eine schematische Darstellung der Verriegelungseinheit 2.
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Die
Verriegelungseinheit (VE) ist im Wesentlichen flächig aufgebaut. In ihrem Zentrum
weist sie eine mechanische Kupplung auf, über die Adapter 3 und
Verriegelungseinheit 2 mechanisch stabil kuppelbar sind
(Details werden in den 4 und 5 gezeigt).
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Umlaufend
der mechanischen Kupplung sind drei Module M1, M2 und M3, und eine
Auswerteeinheit 5 angeordnet. Die Module M1, M2 und M3
sind dafür
vorgesehen, Stromversorgung, Datenleitungen, Medien usw. von der
Roboterseite zum Werkzeug zu übertragen.
In diesem Falle weist das Modul M1 zumindest eine Kupplung für die Übertragung
von einem gasförmigen
Medium, hier Druckluft, auf. Das Modul M2 weist zumindest eine Kupplung
für die Übertragung
von flüssigem
Medium, hier Kühlwasser,
auf. Das Modul M3 weist zumindest eine Kupplung für die Übertragung
von Strom zur Stromversorgung des Werkzeugs 7 auf.
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Des
Weiteren weist die Verriegelungseinheit mehrere Sensoren Sen1, Sen2,
Sen3 und Sen4 auf (siehe hierzu schon 3). Mittels
der Sensoren Sen1, Sen2 und Sen3 ist die mechanische Kupplung zwischen
Verriegelungseinheit und Adapter überprüfbar. Mittels des Sensors Sen4
ist die Druckluftkupplung im Kupplungsbereich des Moduls M1 überprüfbar.
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Die
Sensoren Sen1, Sen2, Sen3 und Sen4 sind mit der Auswerteeinheit 5 verbunden.
Die Auswerteeinheit 5 erfasst die Messsignale der Sensoren. Des
Weiteren sind über
die Auswerteeinheit 5 die Messsignale der Sensoren abrufbar.
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2B zeigt
eine schematische Darstellung des Adapters 3. Der Adapter 3 ist
ebenfalls flächig aufgebaut.
Im Zentrum weist er eine mechanische Kupplung auf, über die
er mechanisch mit der Verriegelungseinheit 2 kuppelbar
ist (Details siehe 4, 5).
Um die mechanische Kupplung außen
herum angeordnet sind drei Module M1', M2' und
M3'. Die Module
M1', M2' und M3' bilden zu den Modulen
M1, M2 und M3 der Verriegelungseinheit korrespondierende Kupplungsteile.
Beim mechanischen Kuppeln der Verriegelungseinheit 2 und
des Adapters 3 werden im gleichen Zuge auch die Module
M1, M2 und M3 mit den korrespondierenden Modulen M1', M2' bzw. M3' gekoppelt. Über die
Module M1', M2' und M3' werden Druckluft
bzw. Kühlwasser
bzw. Strom versorgung an das Werkzeug 7 weitergeführt.
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Zusätzlich weist
der Adapter 3 einen Drucksensor Sen5 auf, mit dem der Kühlwasserdruck
im Bereich der Kühlwasserkopplung
des Moduls M2' überprüfbar ist.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung des Werkzeugwechselsystems 1,
welches über
die Verriegelungseinheit 2 mit dem Roboter 6,
und über den
Adapter 3 mit dem Werkzeug 7 verbunden ist.
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Die
Auswerteeinheit weist einen dauerhaften Speicher, hier ein EPROM,
auf, mittels dem die Signale der mit der Auswerteeinheit verbundenen
Sensoren über
eine Zeitperiode dauerhaft speicherbar sind.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Sensoren Sen1, Sen2, Sen3 Kraftsensoren, mittels denen
die mechanischen Kräfte,
die über
den Adapter 3 auf die Verriegelungseinheit 2 ausgeübt werden, zumindest
bereichsweise messbar sind. Die Sensoreinheit Sen4 ist eine Geräuschsensoreinheit,
mittels derer überprüfbar ist,
ob die Druckluftverbindung zwischen den Modulen M1 und M1' gasdicht ist. Die Sensoreinheit
Sen5 ist eine Drucksensoreinheit, die die Kühlwasserleitung im Bereich
der Kupplung der Module M2 und M2' überwacht
(alternativ oder zusätzlich
wäre für die Überwachung
der Kühlwasserleitung
auch ein Geräuschsensor
möglich).
Der mechanische Kupplungsbereich und die Kupplungsbereiche der Module
M1 M1', M2 M2' und M3 M3' sind dabei in der 3 durch
jeweils schraffierte Flächen dargestellt.
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Die
Sensoren Sen1, Sen2 und Sen3 sind direkt mit der Auswerteeinheit
für die Übertragung
der Signale verbunden. Die Sensoreinheit Sen4 ist über das
Modul M1 und einer Schnittstelle S4 mit der Auswerteeinheit verbunden,
die Sensoreinheit Sen5 ist über
das Modul M2', M2
und einer Schnittstelle S3 der Auswerteeinheit mit der Auswerteeinheit
verbunden.
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Der
roboterseitige Ausgangsport der Druckluftleitung ist mit K1 bezeichnet.
Die Druckluftleitung führt
vom Ausgangsport K1 über
das Modul M1 und das Modul M1' zum
Eingangsport K1' auf
der Werkzeugseite. Analog führt
die Kühlwasserleitung
von einem Ausgangsport K2 auf der Roboterseite über das Modul M2 und Modul
M2' zu einem werkzeugseitigen Eingangsport
K2'. Die Stromversorgung
führt von
einem roboterseitigen Ausgangsport K3 über das Modul M3 und das Modul
M3' zu einem werkzeugseitigen
Eingangsport K3'.
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Roboterseitig
ist eine Steuereinheit vorgesehen, mittels der die Ausgangsports
K1, K2 und K3 kontrolliert werden können. Des Weiteren weist die Steuereinheit
eine Schnittstelle S1' auf, über die
sie über
eine Schnittstelle S1 der Auswerteeinheit mit der Auswerteeinheit
gekoppelt ist. Zusätzlich
weist die Steuereinheit eine Schnittstelle S2' auf, die dafür verwendet werden kann, um
die Steuereinheit an ein Netzwerk oder ähnlichem anzuschließen.
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Die
Auswerteeinheit weist neben einem Input-Output-Bereich, der zur Steuerung und Abfrage der
Sensoren vorgesehen ist, eine CPU, hier ausgeführt als Mikrocontroller, einen
dauerhaften Speicher und Schnittstellen S1, S2, S3 und S4 auf, wie
teilweise oben schon erwähnt
wurde. Die Auswerteeinheit nimmt die Messsignale der Sensoren Sen1
bis Sen5 auf, bearbeitet diese und legt diese als abrufbare Daten
im dauerhaften Speicher ab. Diese Daten sind über eine geeignete Schnittstelle
abrufbar. In diesem Ausfüh rungsbeispiel
können
die Daten insbesondere über
die Schnittstelle S2 über
Fernübertragung
abgerufen werden. Alternativ wäre
es ebenso möglich,
die Daten über
eine elektrische Verbindung, insbesondere ein Datenkabel, eine Funkverbindung
oder eine optische Verbindung, insbesondere über ein Lichtleiterkabel, bei
geeignet ausgebildeter Schnittstelle abzurufen.
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Des
Weiteren enthält
die Auswerteeinheit eine Vorrichtung, mit der zumindest ein kurzzeitiger Stromausfall überbrückt werden
kann. In diesem Fall ist hierfür
ein Kondensator mit hoher Kapazität vorgesehen.
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Des
Weiteren weist die Auswerteeinheit eine aktive RFID(Radio Frequency
Identification)-Einheit auf, die mit einer korrespondieren passiven RFID-Einheit
im Werkzeug 7 korrespondieren kann, und somit ermöglicht,
festzustellen, welches Werkzeug zurzeit mit dem Werkzeugwechselsystem
und damit dem Roboter verbunden ist. Diese Information ist ebenfalls
im dauerhaften Speicher ablegbar.
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Die 4A und 4B zeigen
eine Detailansicht der Verriegelungseinheit 2. Dargestellt
ist allerdings nur der Bereich, der zum einen mit dem Roboterflansch
verbindbar ist und über
den die mechanische Kupplung zum Adapter herstellbar ist.
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Die
Verriegelungseinheit weist eine hexagonale, flächige Grundplatte 11 auf.
In der Mitte dieser Grundplatte 11 ist eine pneumatische
Verriegelungseinheit 12 angeordnet (alternativ wäre auch
eine elektrische Verriegelungseinheit denkbar). An den Seiten der
Grundplatte sind mehrere Befestigungsstellen 16 vorgesehen,
die die Befestigung verschiedener Bauteile, insbesondere der Module
M1, M2 und M3 sowie der Auswerteeinheit 5 ermöglichen.
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Umlaufend
der pneumatischen Verriegelungseinheit 12 sind drei zapfenförmige Erhebungen 8 angeordnet.
Die drei zapfenförmigen
Erhebungen 8 sind in einer gemeinsamen Ebene in einem konstanten
Radius gleichmäßig um die
Verriegelungseinheit 12 verteilt angeordnet. Zapfenförmige Erhebungen 8 und
Verriegelungseinheit 12 sind entlang einer gemeinsamen
Verbindungsachse A, A' ausgerichtet.
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Die 5A und 5B zeigen
eine Detailansicht des Adapters 3. Allerdings ist hier
ausschließlich
der Bereich des Adapters 3 dargestellt, der zur mechanischen
Kupplung mit der Verriegelungseinheit 2 und mit dem Werkzeug 7 vorgesehen
ist.
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Analog
zur Verriegelungseinheit 2 weist der Adapter 3 eine
hexagonale Grundplatte 13 auf. Das Zentrum dieser Grundplatte 13 ist
für die
mechanische Verriegelung mit der Verriegelungseinheit 2 vorgesehen.
Hierfür
ist eine kreisförmige
Bohrung mit Rillen in den Außenflächen vorgesehen,
welche Hinterschnitte bilden, und über die sich die Verriegelung 12 der
Verriegelungseinheit 2 mechanisch in dem Adapter 3 verspannen
kann.
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An
der Außenfläche der
Grundplatte 13 sind über
Passfeder und Nut verschiedene Befestigungsmöglichkeiten 14 gegeben,
durch die der mechanische Anschluss von Modulen usw. ermöglicht wird.
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Des
Weiteren sind auf der Grundplatte 13 drei halbschalenförmige Elemente 15 fest
angeordnet, die zu den zapfenförmigen
Erhebungen 8 der Verriegelungsein heit 2 korrespondierende
Aussparungen 9 bilden. Beim Kupplungsvorgang von Adapter 3 und
Verriegelungseinheit 2 bewirken die zapfenförmigen Erhebungen 8 und
die dazu korrespondierenden Aussparungen 9 des Adapters 3,
dass der Adapter 3 und die Verriegelungseinheit 2 auf
einer definierten Achse AA' und
in einer definierten Lage miteinander verbunden werden. Die zapfenförmigen Erhebungen 8 und
durch die Erhebungen 15 gebildeten Aussparungen 9 führen den
Adapter und die Verriegelungseinheit beim Einkuppeln.
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Die
zapfenförmigen
Erhebungen 8 der Verriegelungseinheit 2 sind mit
einer konischen Spitze ausgebildet. Auf diese Weise wird das "Einfädeln" des Adapters 3 erleichtert.
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Des
Weiteren sind die zapfenförmigen
Erhebungen 8 der Verriegelungseinheit 2 und die
halbschalenförmigen
Erhebungen 9 des Adapters 3 derart ausgebildet,
dass beim Einkuppeln ein flächiger Kontakt
zwischen allen zapfenförmigen
Erhebungen 8 und halbschalenförmigen Erhebungen 15 besteht. Des
Weiteren ist der Boden der halbschalenförmigen Erhebungen 15 des
Adapters 3 konisch ausgebildet, wodurch im eingekoppelten
Zustand von Adapter 3 und Verriegelungseinheit 2 eine
Verklemmung zwischen Verriegelungseinheit 2 und Adapter 3 bewirkt wird.
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Die
Kraftsensoren Sen1, Sen2 und Sen3 sind jeweils in einer zapfenförmigen Erhebung 8 der Verriegelungseinheit
angeordnet. Mit den Kraftsensoren ist damit die mechanische Belastung
der zapfenförmigen
Erhebung 8 messbar. Sobald der Adapter 3 mit seinen
halbschalenförmigen
Erhebungen 15 die zapfenförmigen Erhebungen 8 der
Verriegelungseinheit 2 berührt, wird eine mechanische
Belastung auf die zapfenförmigen
Erhebungen 8 ausgeübt,
die von den Sensoren detektierbar ist. Die mechanische Belastung
der einzelnen zapfenförmigen
Erhebungen 8 kann über
den gesamten Einkupplungsvorgang gemessen und gespeichert werden.
Auch im eingekuppelten Zustand von Adapter 3 und Verriegelungseinheit 2 kann über die
zapfenförmigen
Erhebungen 8 die mechanische Belastung gemessen werden.
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Über den
Adapter 3 überträgt sich
die Belastung, die auf das mit dem Adapter 3 verbundene Werkzeug 7 wirkt,
auch auf die zapfenförmigen
Erhebungen 8. Damit ist es möglich, über die Messung der mechanischen
Belastung der zapfenförmigen
Erhebung 8 auf die Belastung des mit dem Adapter 3 verbundenen
Werkzeugs 7 zu schließen.
Aufgrund der Anordnung der Sensoren können beispielsweise auch Biegemomente
und Torsionsmomente, die insbesondere direkt oder indirekt über das
Werkzeug auf das Werkzeugwechselsystem (oder Multikupplungssystem)
wirken, gemessen werden.
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Des
Weiteren weist die Verriegelungseinheit 2 einen Kupplungssensor 10 auf,
mittels dem feststellbar ist, ob Verriegelungseinheit 2 und
Adapter 3 miteinander gekuppelt sind. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Kupplungssensor ein magnetischer Sensor 10, der
in einer Aussparung in der hexagonalen Grundplatte 11 randseitig
eingebracht ist. Ist der Adapter 3 vollständig mit
der Verriegelungseinheit 2 verbunden, so gibt der Kupplungssensor 10 ein
Signal. Das Signal wird von der Auswerteeinheit erfasst und ebenfalls
im Speicher abgelegt.
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Des
Weiteren weist die Verriegelungseinheit zumindest einen Positionssensor
auf, der die Position von Verriegelungseinheit und Adapter in zumindest
einer Position vor der Kupplungsposition überprüft.
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Roboter
mit verbundener Verriegelungseinheit 2 und Adapter 3 mit
verbundenem Werkzeug 7 bilden eine Kupplungsanordnung,
die es erlaubt, das Werkzeug 7 automatisch mit dem Roboter 6 zu
kuppeln.
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Ausgangspunkt
ist beispielsweise, dass sich das Werkzeug 7 mit verbundenem
Adapter 3 in einer Werkzeugablage befindet, und der Roboter 6 über die
Verriegelungseinheit 2 nun das Werkzeug 7 aufnehmen
soll.
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Dass
der Roboter sich derart in Position bringt, dass Verriegelungseinheit 2 und
Adapter 3 kurz vor dem Kontakt stehen, ist unkritisch und
ohne Probleme automatisierbar. Kritisch ist der letzte Schritt des
Einkuppelvorgangs, bei dem Adapter 3 und Verriegelungseinheit 2 in
mechanischen Kontakt miteinander treten. Hier können schon kleine Positionsfehler
zwischen Adapter 3 und Verriegelungseinheit 2 zu
hohen mechanischen Belastungen führen, die
zu einer Beschädigung
des Werkzeugwechselsystems oder sogar des Roboters des Werkzeugs 7 führen können.
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Erfindungsgemäß ist die
Steuereinheit des Roboters, die die Bewegung des Roboters kontrolliert,
mit der Auswerteeinheit 5 verbunden. Die Auswerteeinheit 5 weist
ein Programm auf, mit dem die Signale der Kraftsensoren ausgewertet
werden können
und die als geeignete Signale an die Steuereinheit des Roboters
weitergegeben werden können. Über die
Kraftsensoren, die die mechanische Belastung messen, die auf die
zapfenförmigen
Erhebungen 8 der Verriegelungseinheit 2 wirken,
wird die mechanische Belastung, die im letzten Schritt des Einkuppelns
von Adapter 3 auf die Verriegelungseinheit 2 wirkt,
frühzeitig
erfasst. Die Messwerte können dazu
verwendet werden, um diese mit Sollwerten zu vergleichen, und, falls
eine gravierende Abweichung festgestellt wird, um geeignete Steuersignale
an die Steuereinheit des Roboters zu senden, damit dieser die Position
von Verriegelungseinheit 2 und Adapter 3 geeignet
korrigieren kann. Auf diese Weise ist ein nahezu belastungsfreies
automatisches Kuppeln von Adapter 3 und Verriegelungseinheit 2 möglich.
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Insbesondere
kann auf die Weise auch das "Teaching" des Roboters automatisiert
werden. Beim "Teaching" wird der Bewegungsablauf
des Roboters festgelegt, den der Roboter verfahren muss, um das Werkzeug
aus der Werkzeugablage aufzunehmen und wieder abzulegen. Fehler,
die bei einem manuellen "Teaching" insbesondere dadurch,
dass der Bewegungsablauf des Roboters nicht exakt genug eingestellt
wurde, vorkommen können,
können
durch die vorgeschlagene Automatisierung verhindert werden.
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Eine
erfindungsgemäß bevorzugte
Verwendung des beschriebenen Systems ist die Überwachung des Kupplungsbereichs,
insbesondere die Überwachung
der mechanischen Belastung im Kupplungsbereich, während des
Einkuppelns und auch während
des Betriebszustandes. Auf diese Weise ist es möglich, Fehler im Kupplungsbereich schnell
zu erkennen, die Betriebsdauer der gekuppelten Partner möglichst
auszureizen, und unsachgemäße Handhabung,
insbesondere unsachgemäße Überlastung
zu verhindern. Über
die Dokumentation der Signale ist es insbesondere möglich, den
Betrieb des Kupplungssystems und der damit verbundenen Partner auch
nachträglich
zu verfolgen, wodurch ermöglicht
wird, Fehlerursachen festzustellen.